基于绿色制造的模具设计探讨

常虹，张巍

（武昌工学院，湖北武汉430065）

绿色装备技术

基于绿色制造的模具设计探讨

常虹，张巍

（武昌工学院，湖北武汉430065）

近年绿色制造以降低资源消耗和减少环境影响为目标逐渐受到人们的重视。从选择绿色的模具材料、设计合理的模具结构和应用计算机辅助4C系统三方面论述基于绿色制造理念的模具设计方法。

绿色制造；计算机辅助4C；模具设计

保护环境、保持社会可持续发展已成为全球共同关注的热点问题，在此背景下，绿色制造逐渐受到人们的重视。模具作为制造业的重要基础工业装备，涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金和建材等多个行业，据《2014-2018年中国模具制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》显示：我国现在有75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。然而，我国传统的模具设计制造过程一般只考虑模具产品的基本属性，即模具的功能、质量、成本和寿命等，几乎未考虑模具生产过程对环境的影响和对资源的有效利用。模具工业作为制造业的重要组成部分，其生产技术水平的高低，是衡量一个国家制造业水平的重要标志，因此，在模具行业提倡绿色制造显得尤为重要。

模具设计在模具制造过程中占据着非常重要的地位，是否采用绿色设计直接决定模具是否具有“绿色”属性。模具的绿色设计即结合环境保护意识和可持续发展理念，在设计过程中充分考虑整个模具的生命周期（设计、制造、使用和报废）对环境产生的影响，选择可回收利用且便于后期制造的绿色材料；采用方便拆卸的标准化结构设计，提高资源的利用率；设计中采用计算机辅助，减小设计过程中的资源浪费。将绿色制造的理念应用于模具设计，在满足性能要求的同时兼顾模具的环境属性，以此来推进模具行业的可持续发展。

1 选择绿色的模具材料

模具材料的选择是模具设计过程中必不可少的组成部分，选择绿色材料是实现模具绿色制造的前提。模具设计时应选择具有良好使用性能，并在制备、加工、使用和报废后回收处理的全生命周期过程中能耗少，资源利用率高，对环境无污染，且易回收处理的材料[1]。

模具的零部件与普通机械的零部件存在一定的差别，模具通常在高温、高压环境下工作，因此模具制造应采用具有较高硬度、强度、耐磨性和韧性的材料，并且具有较高的淬透性和淬硬性，使用寿命也要求更长。选择材料时，首先根据产品的功能要求和使用环境，以及各种材料的物理、力学性能和加工难易程度，初步确定几种可供选择的材料，然后考虑环境保护和资源的合理利用的要求，采用成本核算的方式，计算每种可选材料使用的总成本，包括模具加工成本、回收处理成本和环境成本，综合考虑使用性能要求和成本确定最终选择的材料。

2 设计合理的模具结构

2.1 采用可拆卸的模具结构

模具的使用、维修和回收都离不开拆卸工作，采用可拆卸的模具结构是模具绿色设计的必备条件。在模具使用过程中，部分零件由于受到冲击和摩擦的作用会失效，采用可拆卸的结构只需更换损坏零件模具即可正常使用，节省维修的费用。而且可拆卸的结构使零件再次回收利用成为可能，避免产生浪费和环境污染。因此，设计模具时，在满足功能要求的前提下，尽可能选择易于拆卸的螺纹联接结构，不采用铆接、焊接和胶接，少采用过盈配合，并设计简单合理的模具结构，尽量减少零部件数量，方便模具拆装及减少拆装过程对环境造成的影响。

2.2 采用标准化零部件

模具设计应尽可能将除凸模、凹模以外的其余零部件都制作成标准件，使用时只需按零件加工要求制作凸模、凹模，通过选择合适零部件，更换凸模、凹模，以“搭积木”的方式组装成所需的模具，就能够制造新的产品，使模具零件能够很好地适应加工对象的变化。采用标准化的零部件后，设计者可以最大限度地选用标准件和通用件，减少计算机辅助设计（CAD）的绘图工作量，缩短设计周期，节约设计成本。标准化的零部件有利于组织专业化生产，便于使用专用加工设备和计算机辅助制造技术（CAM），提高产品质量和生产效率，大大降低模具零件的制造成本。标准化的零部件损坏后可以方便用相同类型新零部件进行更换，缩短维修时间，节约维修费用。而且使用标准化的零部件便于模具报废后的回收再利用，节约资源，减少浪费。

3 应用计算机辅助4C系统

计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助工艺设计（CAPP）统称为计算机辅助4C系统，在模具设计过程中使用CAD/CAE/CAM/CAPP技术可以缩短模具产品的设计周期，降低开发成本和生产成本，提高产品质量。

计算机辅助技术可用于模具的二维设计和三维设计，实现设计过程无纸化，减少对资源造成的浪费，降低对环境造成的影响，节约设计成本。使用CAD技术进行模具三维设计，能够直观、清楚地利用装配将模具的组成零部件按照对应关系组合在一起，仿真模具开模过程，并且利用干涉检查功能避免模具设计出现干涉问题，发现设计中出现的结构性错误，提高设计的准确性。模具三维设计可以采用参数化设计，一旦设计过程中出现问题，其修改相对二维设计更加方便快捷，有利于缩短设计周期。采用三维设计，模具在设计阶段就可以利用软件准确计算出模具的质量，有利于精确地控制生产成本。在模具的装配过程中，由于三维实体造型的直观性，可以大大减少装配工人的识图时间，缩短了模具的生产周期。此外，采用CAD技术还为模具的CAE、CAM和数控加工提供基础数据，从而能够更加准确的预计与计划模具及产品的生产过程和生产工艺[2]。

模具设计需要分析模具的工作状态并进行强度、刚度等校核，才能保证成型产品的质量和模具安全、长期的使用。传统的模具设计制造，设计人员凭经验进行设计，校核计算粗略且不全面，不能精确反映模具的实际工况，一般通过反复试模发现设计存在的缺陷，并进行返修与改进，有时还会造成模具的报废，才能最终确定复杂的模具原型，成本很高。采用CAE技术，设计人员可以借助计算机，在三维实体造型的基础上对模具结构、成型工艺等进行计算分析，在设计阶段即可模拟仿真模具的工作状态，综合评价设计结果，发现设计中不合理之处，改进和优化模具设计方案。CAE技术的应用完全代替了试模过程，避免返修报废，不仅可以缩短模具产品的开发设计周期，大大降低模具的生产成本，而且提高了模具的质量。

模具型腔作为模具加工的主要零件，一般具有较高的精度，且很多型腔具有曲面结构，加工制造难度较大。为了保证模具产品的质量，通常采用数控机床进行加工。加工程序的编制是模具数控加工的关键环节，由于模具零件经常存在复杂外型，采用传统的手工编程方式根本无法实现，需要借助计算机辅助制造技术，使用CAM软件，在CAD创建的三维加工模型基础上，根据不同的加工工艺要求，指定加工方式和加工参数，生成零件加工轨迹，并模拟仿真加工过程，最后按机床规定格式生成零件数控加工代码，并将代码传输至数控机床，实现零件加工。使用CAM技术不仅使高精度复杂型腔加工容易实现，而且提高了编程的效率和可靠性，缩短了模具的开发周期。

CAPP技术是连接CAD与CAM的桥梁，CAPP能直接从模具零件CAD模型中获取零件的几何信息、材料信息和工艺信息，并从工程数据库中获得企业的生产条件、资源情况及企业工人技术水平等信息，利用计算机进行数值计算、逻辑判定和推理等功能来制定模具零件机械加工工艺过程，形成工艺过程卡、工序卡和工步卡，解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到最优化的问题。

通过在模具设计中充分利用计算机辅助4C系统，实现模具零件分析、结构设计、工艺设计、模具制造的一体化，提高模具生产效率，缩短生产周期，降低生产成本，提高制造水平，实现绿色制造的目标。

4 结束语

模具制造业能否实现绿色化，很大程度上取决于模具的设计方案和设计过程是否能满足绿色设计的要求。在模具设计过程中，通过选择绿色材料，采用合理的结构和使用计算机辅助技术能够提高资源利用率，减小对生态环境的影响，使企业经济效益和社会效益协调发展。

[1]李小明.基于绿色设计理念下的模具设计与制造[J].湖南农机，2012，39（9）：43-44.

[2]陈晖，李名尧，吴华春.模具CAD/CAE/CAM技术的发展及软件应用[J].机械设计与制造，2011，49（6）：238-240.

Abstrsct：In recent years，green manufacturing to reduce resource consumption and environmental impact for the target gradually get the attention of the people. Mould design methods are discussed in this paper，from the choice of green mold material，the reasonable design of die structure and application of computer aided 4C system three aspects based on the concept of green manufacturing.

Discussion on Mould Design Based on Green Manufacturing

CHANG Hong，ZHANG Wei
（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

green manufacturing；computer aided 4C system；mould design

T H166

A

1672-545X（2016）09-0168-03

2016-06-21

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目，项目名称：计算机辅助4C系统在模具绿色制造领域的应用研究（项目编号：B2015274）

常虹（1982-），女，湖北武汉人，讲师，硕士，研究方向：机械制造；张巍（1982-），男，甘肃武威人，教师，硕士，研究方向：材料成型。